Pourquoi refroidir au sodium, au plomb fondus ou à l’hélium ?
Les réacteurs à neutrons rapides n’ont pas besoin de modérateur, mais la présence d’un fluide pour évacuer la chaleur demeure nécessaire. Ce fluide doit posséder de bonnes qualités calorifiques et « neutroniques ».
Les conditions requises pour la surgénération sont plus sévères que pour la simple production d’énergie. Il ne suffit pas de prélever un premier neutron de fission pour l’entretien de la réaction en chaîne. Il faut en prélever un second pour régénérer le noyau fissile. Dans la plupart des surgénérateurs, le noyau fissile est le plutonium-239. La capture d’un neutron rapide par le plutonium ne produit que 2,3 neutrons de fission secondaires. Pour régénérer ce plutonium-239 à partir de l’uranium, on ne doit pas perdre plus de 0,3 neutrons, en particulier dans le liquide qui évacue la chaleur du cœur du réacteur.
Transparence du sodium et du plomb aux neutrons rapides
Variation de la probabilité de capture des neutrons rapides par les noyaux des éléments naturels pour une énergie caractéristique des neutrons. Cette probabilité de capture (appelée encore section efficace), qui varie beaucoup d’un noyau à l’autre, est remarquablement faible pour le sodium et le plomb. Ces espèces chimiques particulièrement transparentes aux neutrons sont recherchées pour le refroidissement du cœur des réacteurs à neutrons rapides. Le sodium a été utilisé pour évacuer la chaleur dans des réacteurs du type de SuperPhenix, et le plomb dans les sous-marins nucléaires russes.
© IN2P3
Il faut en même temps favoriser les captures utiles dans l’uranium-238 en vue de la régénération. Les conditions de ces captures utiles dans l’uranium-238 sont les meilleures quand l’énergie des neutrons avoisine 65 000 électronvolts (65 keV). On cherche donc à éviter que les neutrons soient piégés par d’autres noyaux avant qu’ils n’atteignent la région des 65 keV lors de leur ralentissement. Le liquide de ralentissement doit être transparent aux neutrons.
Transparence du sodium aux neutrons rapides
L’utilisation du sodium fondu comme liquide de refroidissement dans les réacteurs à neutrons rapides tient à ce que le sodium fondu évacue bien la chaleur tout en étant transparent aux neutrons. Il s’agit d’éviter les captures inutiles pour favoriser les captures utiles dans l’uranium-238 (pour générer du plutonium) et les fissions dans l’uranium-235 ou le plutonium-239. Dans le domaine d’énergie des neutrons rapides, les probabilités de capture dans le sodium sont très petites (l’échelle est en puissance de 10) comparées aux captures dans l’uranium-238 et à la fission.
© IN2P3 (Source JANIS).
Il se trouve que le sodium et le plomb présentent les qualités requises. Ils possèdent aussi de bonnes qualités calorifiques. Mais l’un et l’autre doivent être sous forme de métaux fondus liquides.
La France a acquis tôt une maîtrise du sodium fondu pour les réacteurs de recherche à neutrons rapides de petite taille. Pour SUPERPHENIX, il a fallu passer à plus grande échelle. Le sodium offre d’excellentes caractéristiques pour la sécurité nucléaire. Par contre, il est explosif au contact de l’eau et de l’air, et son emploi pose des problèmes de sécurité.
Le sodium liquide impose, dans la conception même du réacteur, des précautions qui conduisent à des investissements coûteux. Il complique beaucoup l’inspection en service du réacteur et les interventions après incident, ce qui diminue la disponibilité de la centrale.
Réacteurs de sous-marins embarqués
L’expérience acquise sur le refroidissement au plomb des réacteurs à neutrons rapides provient principalement de l’ancienne Union Soviétique, qui avait utilisé cette technique de refroidissement pour sa flotte de sous-marins nucléaires. Il s’agissait de réacteurs embarqués, donc compacts et de petite taille comparé à ceux des centrales du nucléaire civil. Comme le plomb liquide est corrosif, on utilise en réalité un mélange eutectique de plomb et de bismuth, dont les qualités calorifiques et nucléaires (la transparence au neutron) sont voisines.
© DR
La Russie s’est intéressée au plomb à travers un mélange eutectique de plomb et de bismuth fondus. Elle dispose de pompes capables de faire circuler du plomb fondu, l’ancienne Union Soviétique ayant développé cette technologie depuis 40 ans pour ses applications militaires et ses sous-marins de classe alpha. Les projets actuels de réacteurs couplés avec des accélérateurs envisagent également un refroidissement au plomb liquide.
Une dernière possibilité, envisagée pour un des concepts de réacteurs de quatrième génération (Gaz Fast Reactors), est de refroidir avec de l’hélium sous pression. Du point de vue nucléaire, le noyau d’hélium (qui n’est autre qu’une particule alpha) est idéal. Très solide, il ne capture pas les neutrons. Inactif chimiquement, il n’est pas corrosif. Mais c’est un gaz qui dans des conditions normales évacue mal la chaleur. Pour qu’il puisse servir à évacuer la chaleur du réacteur il doit être sous haute pression.
Voir aussi :
Pourquoi des neutrons rapides ?
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